森林三維虛擬場(chǎng)景建立——以帽兒山林場(chǎng)為例

劉 洋 項(xiàng)忠夫

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京，100083) (哈爾濱市國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃院)

劉 君 張 研 王 猛

(黑龍江省煤田地質(zhì)研究測(cè)試中心) (黑龍江省第五地質(zhì)勘察院) (黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院)

“數(shù)字林業(yè)”的三維可視化是目前在林學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。利用此技術(shù)可以對(duì)林地植被進(jìn)行模擬，虛擬演示林地分布情況。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)例如虛擬防火、虛擬病蟲(chóng)害、虛擬林木生長(zhǎng)等應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，也對(duì)林業(yè)的管理和決策起著至關(guān)重要的作用［1］。如何快速、高效、逼真地采用三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)顯示“數(shù)字林業(yè)”，是專(zhuān)家和技術(shù)人員共同努力的目標(biāo)［2］。近年來(lái)，三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展迅速，新的理論和方法層出不窮，其在各行各業(yè)應(yīng)用的深度與廣度也在日益增大。在林業(yè)方面，出現(xiàn)了相當(dāng)多的植物生成算法和滿足各種要求的植物模型生成軟件，例如Speedtree、Xfrog、L22Studio、SVS等，并且已經(jīng)部分應(yīng)用于林業(yè)研究領(lǐng)域［3］。但是，隨著模型和場(chǎng)景的復(fù)雜度的增長(zhǎng)，對(duì)實(shí)時(shí)性和精確性的要求越來(lái)越高，這在林業(yè)可視化中依然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

通過(guò)融合地理、遙感、專(zhuān)題以及公共信息等各要素建立虛擬環(huán)境，就必須借助數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)的方法和高分辨遙感影像信息，從立體像對(duì)恢復(fù)、正射影像圖制作、矢量采集以及虛擬環(huán)境建立，才能建立具備可視化、立體的地理信息。本文借助ERDAS系統(tǒng)，利用該軟件中圖像處理、正射處理、立體測(cè)量以及虛擬地理信息系統(tǒng)，將矢量、圖像、DEM數(shù)據(jù)快速地融合在一起，建立了具有真實(shí)感的虛擬森林環(huán)境。根據(jù)地理信息系統(tǒng)理論，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)及相關(guān)編程語(yǔ)言，制作具有高度真實(shí)感和可操作性的虛擬林相系統(tǒng)，對(duì)林地植被的模擬、林地分布情況的虛擬演示都具有積極的意義。

1 研究區(qū)域概況

以帽兒山林場(chǎng)作為研究區(qū)域。帽兒山林場(chǎng)位于尚志市西北部，場(chǎng)址距市區(qū)40km，隸屬于尚志國(guó)有林場(chǎng)管理局。地理坐標(biāo)為東經(jīng) 127°18＇0″～ 127°41＇6″，北緯 45°2＇20″～ 45°18＇16″。林場(chǎng)東與小九、尚志林場(chǎng)相鄰，南與五常市相連，西與阿城市接壤，北與東北林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)相接。林場(chǎng)地處張廣才嶺西坡。境內(nèi)以山區(qū)丘陵地貌為主。施業(yè)區(qū)內(nèi)坡度較緩，大部分坡度在5°～25°之間;地勢(shì)南高北低，海拔高度多在200～600 m之間;最高峰大青頂子，海拔649.9 m;最低處西泉眼，海拔高200 m;平均海拔400 m左右。主要河流多為松花江二級(jí)以上支流，其中較大河流有黃泥河。該區(qū)有3個(gè)土類(lèi)，以暗棕壤為主，暗棕壤共有3個(gè)亞類(lèi)，即原始暗棕壤、典型暗棕壤和草甸暗棕壤。該區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)、寒冷而干燥，多西北風(fēng);夏季溫?zé)岫檀?、降雨集中。研究區(qū)域經(jīng)營(yíng)總面積27858 hm2。林業(yè)用地面積26067 hm2，其中:有林地面積23204 hm2，未成林造林地632 hm2，無(wú)林地2490 hm2，苗圃5 hm2;非林業(yè)用地1 527 hm2。森林總蓄積1 879 380 m3，森林覆蓋率83.29%。

2 虛擬林相的組建

2.1 數(shù)據(jù)資料

選取帽兒山林場(chǎng)的地形圖作為提取原始地貌信息的基礎(chǔ)資料。在ERDAS8.7軟件的支持下，將原始圖像經(jīng)過(guò)幾何校正、圖像融合以及圖像預(yù)處理后，使圖像具有較高質(zhì)量，完全可以滿足制圖的需要。

輔助數(shù)據(jù)主要包括:帽兒山林場(chǎng)地面實(shí)測(cè)資料，帽兒山1∶10000地貌圖，1∶10000林相圖，1∶10 000地形圖，1 ∶10 000地形數(shù)據(jù)資料。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理中，為了既能與全國(guó)地貌制圖坐標(biāo)系統(tǒng)相一致，又能充分保證本研究區(qū)的數(shù)據(jù)資料變形較小，本次工作將各種類(lèi)型的矢量數(shù)據(jù)、掃描圖件和航片影像等都要統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系統(tǒng)中。其投影系統(tǒng)的具體參數(shù)如下［4］:Ellipsoid_Krassovsky;Transverse_Mercator;False_Easting:500000.000000;False_Northing:0.000000;Central_Meridian:129.000000;Scale_Factor:1.000000。

2.2 虛擬林相的構(gòu)成

虛擬林相系統(tǒng)主要由三維圖像顯示、空間屬性數(shù)據(jù)處理、三維場(chǎng)景漫游3個(gè)部分組成［5］。三維圖像顯示是將DEM(數(shù)字高程模型)與數(shù)字林相圖進(jìn)行疊加，產(chǎn)生三維地形的可視化?？臻g屬性數(shù)據(jù)處理主要包括:樹(shù)種參數(shù)模板，小班圖層，以小班為基本單元的森林屬性數(shù)據(jù)，以及地形DEM模型。得到小班內(nèi)所有樹(shù)木的位置與高程后，下一步需要?jiǎng)討B(tài)生成符合該小班屬性的樹(shù)木幾何模型，最后將該小班作為一個(gè)組結(jié)點(diǎn)加入虛擬林相中。三維場(chǎng)景漫游是在Virtual GIS環(huán)境中，可以在虛擬林相的三維空間中進(jìn)行虛擬漫游，自定義漫游飛行的路線，能在實(shí)時(shí)三維環(huán)境中提供GIS分析和實(shí)時(shí)三維飛行方式的訪問(wèn)，體驗(yàn)三維森林景觀的空間變化。

2.3 生成虛擬林相的步驟

虛擬林相的建立過(guò)程是一個(gè)較大的系統(tǒng)工程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它就是DEM與數(shù)字林相圖的疊加，但是完整的虛擬林相還需要一些輔助步驟(見(jiàn)圖1)［6］。

圖1 虛擬林相流程圖解

矢量數(shù)字林相圖包含的核心內(nèi)容是小班多邊形專(zhuān)題，它攜帶了森林資源的主要信息量［7］。等高線是通過(guò)手扶跟蹤掃描的地形圖來(lái)獲取，這里使用的等高線數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)來(lái)自帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)。數(shù)字高程模型(DEM)通過(guò)掃描矢量化等高線內(nèi)插方法來(lái)生成，圖2為DEM構(gòu)建原理結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖2)。在生成的DEM之后利用ERDAS IMAGINE轉(zhuǎn)換成為.img格式，使DEM與林相圖中的矢量數(shù)據(jù)格式一致，便于兩者相疊加(見(jiàn)圖3)［8］。建立立體地形圖必須將DEM描述的場(chǎng)景坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成為視點(diǎn)坐標(biāo)系，其轉(zhuǎn)換方程見(jiàn)式(1)、式(2)［9］。

圖2 DEM的構(gòu)建過(guò)程

圖3 帽兒山DEM

式中:(xe，ye，ze)為視點(diǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(xw，ys，zw)為場(chǎng)景坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(Cx，Cy，Cz)為視點(diǎn)坐標(biāo)系原點(diǎn)在場(chǎng)景坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(Ux，Uy，Uz)為視點(diǎn)坐標(biāo)系的為x軸方向向量;(Vx，Vy，Vz)為視點(diǎn)坐標(biāo)系的為y軸方向向量;(Nx，Ny，Nz)為視點(diǎn)坐標(biāo)系的為z軸方向向量。顯然，上述的轉(zhuǎn)換過(guò)程由兩個(gè)轉(zhuǎn)換組成，即平移和旋轉(zhuǎn)。之后對(duì)圖像進(jìn)行LOD技術(shù)處理，LOD技術(shù)的思想是在不影響畫(huà)面視覺(jué)效果的條件下，通過(guò)逐次簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)來(lái)減少場(chǎng)景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率。該技術(shù)通常對(duì)每一原始多面體模型建立幾個(gè)不同逼近精度的幾何模型，與模型相比，每個(gè)模型均保留了一定層次的細(xì)節(jié)。當(dāng)從遠(yuǎn)處觀察物體時(shí)，采用較為粗糙的模型，而若從近處觀察物體時(shí)，則采用精細(xì)模型，即為了加速圖形生成以保證實(shí)時(shí)的圖形繪制，根據(jù)觀察點(diǎn)位置的變化選擇不同精度的模型予以成像［10］。利用數(shù)字林相圖著色，一般針對(duì)于公路、河流等地物進(jìn)行著色，此目的在于充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)表達(dá)顏色的豐富功能來(lái)營(yíng)造真實(shí)感。最后將三維地形圖和林相圖進(jìn)行配準(zhǔn)。

2.4 虛擬林相的合成

將生成的DEM與處理好的數(shù)字林相圖在ERDAS IMAGINE 8.7中的Virtual GIS模塊中進(jìn)行疊加合成。將研究區(qū)域的道路、河流、省界、鄉(xiāng)界等各種信息均矢量化后保存為一個(gè)ERDAS IMAGINE可讀的.img文件，便于在Virtual GIS三維顯示窗口中加載(見(jiàn)圖4)。

圖4 添加各種矢量信息后的全景圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)帽兒山林場(chǎng)進(jìn)行虛擬林相的建立，可立體的、多角度的了解了森林林分組成，更直觀的了解森林的總體概況。而且通過(guò)對(duì)森林屬性信息的錄入，使得該系統(tǒng)具備了方便快捷的查詢(xún)功能。最后根據(jù)三維虛擬全景，可以對(duì)虛擬林相中森林的各個(gè)樹(shù)種進(jìn)行分析，得出該地區(qū)的森林格局，為更好的經(jīng)營(yíng)森林提供了有利的理論基礎(chǔ)。

本文現(xiàn)實(shí)意義在于以直觀的形式將傳統(tǒng)的專(zhuān)題地圖轉(zhuǎn)換為可視化的虛擬地理環(huán)境，讓非專(zhuān)業(yè)人士也能同專(zhuān)業(yè)人士一樣獲取信息，三維屬性數(shù)據(jù)查詢(xún)讓操作者更直接的認(rèn)識(shí)查詢(xún)對(duì)象。森林資源在空間分布上具有分散性和遼闊性，在時(shí)間分布上具有動(dòng)態(tài)性，虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)模造型技術(shù)，對(duì)森林的監(jiān)測(cè)、地質(zhì)的勘探、礦產(chǎn)的調(diào)查更具有現(xiàn)實(shí)意義。

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